電機驅(qū)動原理與電路分析-電機驅(qū)動電路設(shè)計與發(fā)展現(xiàn)狀-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-08-29
電機驅(qū)動Motor drive是組裝在膠片式照相機內(nèi)的微型電機或彈簧及其附件的總稱，借助微型電機自動地卷取膠片，大多是指35毫米單鏡頭反光相機所用的。
拍一片格和連拍可以交替，連拍時一般一秒鐘拍3—5片格。視照相機的種類，將背部蓋子換為長膠卷用片盒，即可拍250片格。除供利用軟線的遙控攝影外，亦可借連接到定時器上的間隔控拍器自動地拍攝，或靠控制快門等，應(yīng)用面較廣。倘不需連拍時，使用自動卷片器亦可。
電機驅(qū)動的發(fā)展現(xiàn)狀如下：
(1)交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)平臺，形成了小批量生產(chǎn)的開發(fā)、制造、試驗及服務(wù)體系;產(chǎn)品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類電動客車;通過示范運行和小規(guī)模市場化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗證。
(2)開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)已形成優(yōu)化設(shè)計和自主研發(fā)能力，通過合理設(shè)計電機結(jié)構(gòu)、改進控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿足整車需求;部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車示范運行，效果良好。
(3)無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)國內(nèi)企業(yè)通過合理設(shè)計及改進控制技術(shù)，有效提高了無刷直流電機產(chǎn)品性能，基本滿足電動汽車需求;已初步具有機電一體化設(shè)計能力。
(4)永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于各類電動汽車;產(chǎn)品部分技術(shù)指標(biāo)接近國際先進水平，但總體水平與國外仍有一定差距;基本具備永磁同步電機集成化設(shè)計能力;多數(shù)公司仍處于小規(guī)模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司已投資建立車用驅(qū)動電機系統(tǒng)專用生產(chǎn)線。
電機驅(qū)動電路原理如下圖：
上圖中Header 4X2為4排2列插針，F(xiàn)M0~3為FPGA芯片I/O輸出口，加入的插針給予一個可動的機制，在需要使用時才用跳線帽進行相連，提高I/O口的使用效率。RES5是五端口排阻，內(nèi)部集成了4個等阻值且一端公共連接的電阻，PIN 1是公共端，PIN2~5為排阻的輸出端，排阻原理圖，如下圖所示：
該排阻公共端接電源，即上拉電阻形式，作用是增強FPGA芯片I/O口（以下簡稱I/O口）的驅(qū)動能力，實際上就是增加I/O輸出高電平時輸出電流的大小。當(dāng)I/O輸出高電平時，+5V電源經(jīng)排阻與IN1~4相連，相當(dāng)于為I/O提供一個額外的電流輸出源，從而提高驅(qū)動能力。當(dāng)I/O輸出低電平時，可將I/O近似看做接地，而IN1~4因與I/O由導(dǎo)線直接相連，因此直接接受了I/O的低電平輸出信號。此時，+5V電源經(jīng)排阻R、I/O內(nèi)部電路（電阻近似為零）后接地，因此該路的電流不能大于I/O的拉電流（Ii）最大值，如下公式：
由公式2-2可以得出排阻的取值范圍。
該上拉電阻除了提高驅(qū)動能力外，還有一個作用，就是進行電平轉(zhuǎn)換。經(jīng)查，ULN2003的接口邏輯為：5V-TTL, 5V-CMOS邏輯。而在3.3V供電的情況下，I/O口可以提供3.3V-LVTTL，3.3V-LVCMOS，3.3V-PCI和SSTL-3接口邏輯電平。因此，需要外接5V的上拉電阻將I/O電平規(guī)格變成5V電平邏輯。
芯片ULN2003內(nèi)部集成7組達林頓管，專門用于提高驅(qū)動電流，芯片引腳間邏輯如下圖所示：
于I/O電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動電機，因此需要外接該芯片驅(qū)動電機，ULN2003內(nèi)部集成的達林頓管電路如下圖所示。達林頓管的形式具有將弱點信號轉(zhuǎn)化成強電信號的特點，I/O電平邏輯從PIN IN輸入，通過達林頓管控制PIN 9(COMMON)端輸入的強電信號按照I/O信號規(guī)律變化。值得注意的是：ULN2003輸出邏輯將與輸入邏輯相反，編程時應(yīng)該注意該特點。
RES6是六端口排阻，內(nèi)部集成了5個等阻值且一端公共連接的電阻，PIN 1是公共端，PIN2~6為排阻的輸出端，原理圖與接法說明可參考上述圖2-2，排阻取值范圍計算參見公式2-2，此處不再贅述。值得注意的是：RES6的PIN 1與PIN 2相連，是因為多出了一個不使用的電阻，為了避免PIN 2懸空，因此將PIN 2與PIN 1（公共端）相連，即PIN 2對應(yīng)的電阻被短路，從而既避免的懸空的引腳，又能使該電阻失效。
電機指示燈電路如下圖所示：
電機部分指示燈用于指示各路信號的邏輯電平狀態(tài)，其中R106~109為限流電阻，防止發(fā)光二極管因電流過大燒毀。值得注意的是：該指示燈的發(fā)光二極管接成共陽極，由M0~3信號端口產(chǎn)生低電平點亮對應(yīng)的二極管，而ULN2003的OUT與IN邏輯電平相反，因此對于I/O口FM0~3來說，輸出高電平就能點亮對應(yīng)的發(fā)光二極管，例如：FM0輸出高電平，則對應(yīng)LD17點亮，編程時應(yīng)注意此電路將I/O實際邏輯反相了兩次，對應(yīng)關(guān)系為I/O口輸出哪路高電平則對應(yīng)點亮哪路指示燈。
時鐘電路如下圖所示：
采用50Mhz有源晶振產(chǎn)生時鐘信號，接法采用有源晶振的典型接法：PIN 1懸空，PIN 2接地，PIN 3輸出時鐘信號，PIN 4接電源。由于FPGA的I/O供電為3.3V，而時鐘電路產(chǎn)生的時鐘信號要由I/O口接收，因此時鐘信號最大值不能超過3.3V，故時鐘電路電源采用3.3V供電。
FPGA部分電路原理圖如下圖所示：
Header 18X2為18排2列排陣，兩組排陣分別與PIN口、3.3V電源、數(shù)字地相連，提供了可動的機制，使得PIN口可根據(jù)需要用排線與目標(biāo)相連，打到信號傳輸?shù)哪康?。?.3V電源以及數(shù)字地針口則可以根據(jù)需要，用排線為目標(biāo)提供邏輯高電平或邏輯低電平。
U21D為FPGA芯片的時鐘信號接收部分，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號“CLK0~3”與對應(yīng)的時鐘信號端口相連。
U21C為FPGA芯片的供電及接地部分，含有“GND”字樣的是“地”端口，與數(shù)字地相連，VCCIO1~4為I/O口供電端口，采用3.3V電源供電，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號“+3.3V”與3.3V電源端口相連。VCCA_PLL1、VCCA_PLL2、VCCINT為內(nèi)部運算器和輸入緩沖區(qū)的供電端口，采用1.5V電源供電，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號“+1.5V”與1.5V電源端口相連。
常見的電機驅(qū)動有兩種方式：1、采用集成電機驅(qū)動芯片。 2、采用MOSFET和專用柵極驅(qū)動芯片。下面一一詳細(xì)解析。
1、采用集成電機驅(qū)動芯片
通過電機驅(qū)動模塊控制驅(qū)動電機兩端電壓來對電機進行制動，我們可以采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的集成橋式驅(qū)動芯片 MC33886。MC33886 最大驅(qū)動電流為 5A，導(dǎo)通電阻為 140 毫歐姆，PWM 頻率小于 10KHz，具有短路保護、欠壓保護、過溫保護等功能。體積小巧，使用簡單，但由于是貼片的封裝，散熱面積比較小，長時間大電流工作時，溫升較高，如果長時間工作必須外加散熱器，而且 MC33886的工作內(nèi)阻比較大，又有高溫保護回路，使用不方便。
下面，著重介紹我們在平時設(shè)計驅(qū)動電路時最常用的驅(qū)動電路。我們普遍使用的是英飛凌公司的半橋驅(qū)動芯片 BTS7960 搭成全橋驅(qū)動。其驅(qū)動電流約 43A，而其升級產(chǎn)品 BTS7970 驅(qū)動電流能夠達到 70 幾安培！而且也有其可替代產(chǎn)品 BTN7970，它的驅(qū)動電流最大也能達七十幾安！
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同如下：
每片芯片的內(nèi)部有兩個 MOS 管，當(dāng) IN 輸入高電平時上邊的 MOS 管導(dǎo)通，常稱為高邊 MOS 管，當(dāng) IN 輸入低電平時，下邊的 MOS 管導(dǎo)通，常稱為低邊 MOS管；當(dāng) INH 為高電平時使能整個芯片，芯片工作；當(dāng) INH 為低電平時，芯片不工作。
其典型運用電路圖如下圖所示：
INH一般使用時,我們直接接高電平，使整個電路始終處于工作狀態(tài)。
下面就是怎么樣用該電路使得電機正反轉(zhuǎn)？假如當(dāng)PWM1端輸入PWM波，PWM2端置0,電機正轉(zhuǎn)；那么當(dāng) PWM1端為0,PWM2端輸入PWM 波時電機將反轉(zhuǎn)！使用此方法需要兩路PWM信號來控制一個電機！其實可以只用一路 PWM 接 PWM1 端，另外 PWM2 端可以接在 IO 端口上，用于控制方向！假如 PWM2=0，PWM1 輸入信號時電機正轉(zhuǎn)；那么當(dāng) PWM2=1是，PWM1 輸入信號電機反轉(zhuǎn)（必須注意：此時PWM信號輸入的是其對應(yīng)的負(fù)占空比）！
以上的電路，對于普通功率的底盤，其驅(qū)動電流已經(jīng)能夠滿足，但是對于更大功率的底盤，可能有點吃力。尤其是當(dāng)我們加的底盤在不停的加減速時，這就需要電機不停的正反轉(zhuǎn)，此時的電流很大，還用以上的驅(qū)動電路，芯片會很燙！！這個時候就需要我們自己用 MOSFET 和柵極驅(qū)動芯片自己設(shè)計H橋！
2、采用MOSFET和專用柵極驅(qū)動芯片
大功率 MOS 管組成電機驅(qū)動電路，用這個方法電路非常簡單，控制只需要一路PWM，在管子上消耗的電能也比較少，可以有效地避免多片MC33886 并聯(lián)時由于芯片分散性導(dǎo)致的驅(qū)動芯片某些片發(fā)熱某些不發(fā)熱的現(xiàn)象。但是缺點是不能控制電機的電流方向，在小車的剎車的性能的提升上明顯有弱勢，而且電流允許值也比較小。
當(dāng)我們按照下圖接線時，也就是兩路PWM輸入組成H橋，則可以通過控制PWM1和PWM2的相對大小控制電流的方向，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。
這里給大家介紹的是 IR 公司的 IR2104，因為 IR 公司號稱功率半導(dǎo)體領(lǐng)袖，當(dāng)然 2104 也相對比較便宜！IR2104 可以驅(qū)動可以驅(qū)動高端和低端兩個 N 溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動電流使用兩片 IR2104 型半橋驅(qū)動芯片可以組成完整的直流電機 H 橋式驅(qū)動電路。但是需要 12V 驅(qū)動！
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